Un nouveau projet du département américain de l'Énergie visant à développer le premier détecteur capable de surveiller à distance les réacteurs nucléaires aidera également les physiciens à tester la prochaine génération d'observatoires de neutrinos.

Les réactions nucléaires produisent des antineutrinos révélateurs – la contrepartie antimatière des neutrinos. Les nouveaux détecteurs seront conçus pour mesurer l'énergie de ces antineutrinos et la direction d'où ils proviennent, permettant de surveiller les réacteurs à une distance de 25 kilomètres pour vérifier les accords de non-prolifération. Ce projet jettera les bases de détecteurs plus grands capables de surveiller le fonctionnement des réacteurs à plusieurs centaines de kilomètres, aider les pays à suivre ou à restreindre la production de matières fissiles pouvant être utilisées dans des armes nucléaires.

Mais les physiciens s'intéressent aussi à la détection des neutrinos et des antineutrinos pour découvrir les lois fondamentales de l'univers, en particulier pour savoir pourquoi l'univers aujourd'hui est composé principalement de matière normale avec très peu d'antimatière, alors que les deux auraient dû être fabriqués en quantités égales pendant le Big Bang.

« Ces observations de neutrinos ont des implications très étendues ; elles pourraient nous aider à expliquer comment nous sommes arrivés à exister, " a déclaré Gabriel Orebi Gann, professeur adjoint de physique et chercheur au Lawrence Berkeley National Laboratory qui est le chercheur principal de l'UC Berkeley pour le nouveau détecteur.

Le projet initial s'appelle Watchman, pour WATer CHerenkov Moniteur d'ANTineutrinos, et sera construit par une large collaboration entre des chercheurs des États-Unis et du Royaume-Uni, dirigé par Lawrence Livermore National Laboratory. UC Berkeley et le Berkeley Lab sont membres de la collaboration, surnommé le banc d'essai d'instrumentation avancée, ou AIT, qui est financé par la National Nuclear Security Administration du DOE.

Sous réserve de l'approbation finale des autorités minières, Watchman sera construit sur le site du laboratoire souterrain de Boulby, une installation scientifique souterraine en profondeur financée par le gouvernement britannique et fonctionnant dans une potasse en état de marche, mine de polyhalite et de sel (Mine Boulby) située sur la côte nord-est de l'Angleterre. Par son démarrage opérationnel prévu en 2023, il sera composé de 3, 500 tonnes de liquide, principalement de l'eau mélangée à l'élément gadolinium, qui sera réglé pour détecter les interactions des antineutrinos émis par un réacteur nucléaire du complexe de Hartlepool à 25 kilomètres.

Ces antineutrinos vont interagir avec des protons dans la cible d'eau pour produire des positons, les partenaires antimatière des électrons, qui produisent de la lumière dans le détecteur lorsqu'ils se déplacent plus vite que la vitesse de la lumière dans le liquide - l'équivalent d'un bang sonique, lumière dite de Cherenkov. L'intensité de la lumière indique aux scientifiques l'énergie de ces positons, qui devrait correspondre aux prédictions.

Neutrinos peu interactifs

Les neutrinos et les antineutrinos sont parmi les particules les plus insaisissables de la nature, passant par la matière, y compris la Terre entière, sans interagir avec aucune autre matière. Ils voyagent presque à la vitesse de la lumière, et les scientifiques qui ont découvert qu'ils avaient une masse légère ont remporté le prix Nobel de physique en 2015.

Alors que la première phase de Watchman utilisera la technologie de détection d'aujourd'hui, la deuxième phase déploiera plusieurs technologies avancées pour améliorer la sensibilité aux antineutrinos de basse énergie. Ceux-ci incluent des scintillateurs liquides à base d'eau et des photo-capteurs rapides et des concentrateurs de lumière pour permettre la discrimination entre les éclairs de lumière séparés par quelques centaines de picosecondes - 10 fois mieux que les tubes photomultiplicateurs d'aujourd'hui.

"Cette démonstration jettera les bases de détecteurs plus grands qui seraient nécessaires pour surveiller ou découvrir de petits réacteurs à des distances allant jusqu'à plusieurs centaines de kilomètres, " a déclaré Adam Bernstein, chercheur principal de l'AIT et physicien du LLNL.

Pour Orebi Gann, L'AIT est l'occasion de tester de nouveaux détecteurs plus sensibles pour un futur observatoire de neutrinos baptisé Theia, après la déesse Titan de la lumière. Theia devrait avoir 50 ans, Réservoir de 000 tonnes de scintillateur liquide à base d'eau avec ajout de métaux radioactifs pour améliorer les interactions des neutrinos et les photocapteurs rapides, ainsi que d'autres technologies de pointe.

"Je suis très heureux de contribuer à l'AIT et Watchman car c'est une étape vraiment importante sur la route vers Theia, " dit Orebi Gann, qui a été impliqué non seulement avec l'Observatoire de neutrinos de Sudbury au Canada, où la masse de neutrinos a été détectée pour la première fois, mais aussi son successeur, SNO+.

Le neutrino est-il sa propre antiparticule ?

La question majeure de la physique des neutrinos aujourd'hui est de savoir si le neutrino est sa propre particule d'antimatière. C'est-à-dire, le neutrino et l'antineutrino sont-ils la même chose ? Si c'était vrai, il fournirait un moyen d'expliquer l'asymétrie matière-antimatière dans l'univers :il permettrait l'existence de neutrinos nouveaux et très lourds qui n'auraient existé qu'après le Big Bang, et aurait pu se désintégrer préférentiellement en matière au lieu d'antimatière.

« Si nous ne le voyons pas, si nous voyons que les neutrinos ne sont pas leurs propres antiparticules, c'est tout aussi énorme, parce que cela dit qu'il y a autre chose qui différencie la matière de l'antimatière autre que la charge électrique, " Orebi Gann a dit, "qu'il existe une autre symétrie que nous ne connaissons pas et qui différencie le neutrino de l'antineutrino."

Le test clé réside dans les observations de la double désintégration bêta, la forme la plus rare de désintégration radioactive dans laquelle deux neutrons du noyau d'un atome se désintègrent spontanément, chacun créant un proton, un électron et un antineutrino. Si les neutrinos et les antineutrinos sont la même particule, dans certains cas de cet événement rare, les deux neutrinos/antineutrinos s'annihileraient l'un l'autre à l'intérieur du noyau et les expérimentateurs ne verraient aucun antineutrinos émerger.

Ainsi, les physiciens recherchent des événements – les doubles désintégrations bêta sans neutrinos – impliquant deux électrons énergétiques transportant toute l'énergie de la double désintégration bêta, et rien d'autre.

SNO+ utilise une cible de scintillateur liquide qui produit environ 50 fois plus de lumière à mesure que les électrons pénètrent que ce qui est produit par l'effet Cherenkov, augmentant ainsi les chances de détecter la double désintégration bêta sans neutrinos. L'objectif du banc d'essai d'instrumentation avancée, en particulier la phase 2, est de tester une combinaison de détection Cherenkov et de scintillation pour le détecteur de neutrinos de nouvelle génération, Théia.

"Avec Théia, nous voulons combiner les avantages d'un support cible qui produit beaucoup de lumière, comme le scintillement, avec un milieu dans lequel on peut aussi voir la lumière Cherenkov - la lumière directionnelle, " dit Orebi Gann. " Ensemble, ils vous donneront une direction, détecteur à faible seuil qui produit une fantastique discrimination signal-arrière-plan pour un large éventail de la physique des neutrinos, ainsi que des sujets passionnants tels que la désintégration du proton."

Bien que Watchman se concentre sur la non-prolifération, il serait également capable de détecter les sursauts d'antineutrinos des supernovas, et peut-être des neutrinos produits sur Terre elle-même, ce qu'on appelle les géoneutrinos.

"Gardien, et plus largement l'AIT, offrir des exemples de la puissante synergie qui peut être obtenue lorsque les outils développés pour la science fondamentale sont appliqués dans des contextes de non-prolifération, " a déclaré Bernstein.